(57)【要約】【課題】測定対象物の動きを補償して測定誤差の少ない二次元画像あるいは三次元画像を取得する。【解決手段】合波器２１で合波された光源１１ａ，１１ｂからの出射光は、干渉計部２０において第１の光路と第２の光路に分割され、測定対象物５０と相互作用した第１の光路の光線と第２の光路の光線が干渉する。干渉計部の第２の光路には、合分波手段２２、合分波手段によって分波された光の光路長を別々に可変することができる複数の光路長可変手段２５ａ，２５ｂを配置する。検出部には、分波手段３２、複数の光検出器３１ａ，３１ｂを配置する。光源１１ｂ、光路長可変手段２５ｂ、光検出器３１ｂを包含する干渉計で測定対象物の動きを検出し、光路調整手段２６を駆動して他方の干渉計の光路長を調整することで、測定対象物の動きに基づく測定誤差を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレンス光源を備える光源部と、
前記光源部から出射された光線を第１の光路と第２の光路に分割し、測定対象物と相互作用した前記第１の光路の光線と前記第２の光路の光線を干渉させる干渉計部と、
前記干渉計部において干渉した干渉光強度を検出する検出部とを備え、
前記干渉計部の前記第２の光路には、合分波手段と、前記合分波手段によって分波された光の光路長を別々に可変することができる複数の光路長可変手段とが配置され、
前記検出部には、分波手段と、前記分波手段によって分波された干渉光の強度をそれぞれ検出する複数の光検出器が配置されていることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項２】
請求項１記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記低コヒーレンス光源は複数の波長域の光を発生し、前記合分波手段及び分波手段は波長合分波手段及び波長分波手段であることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項３】
請求項１記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記合分波手段及び分波手段は偏波合分波手段及び偏波分波手段であることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項４】
請求項１記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記光源部は、複数の低コヒーレンス光源と、当該複数の低コヒーレンス光源から出射された光線を合波する合波手段を有することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項５】
請求項４記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記複数の低コヒーレンス光源は出射光の中心波長が異なることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項６】
請求項４記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記複数の低コヒーレンス光源は出射光の偏光面が異なることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記複数の光路長可変手段として、光路長を掃引するように駆動される第１の光路長可変手段と、測定対象物の特定位置から反射又は散乱した光と前記第１の光路の光線が干渉するように駆動される第２の光路長可変手段とを有することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項８】
請求項７記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記第２の光路長可変手段の駆動量に基づいて前記第１の光路長可変手段が配置された光路の光路長を補正する光路長調整手段を有することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【請求項９】
請求項７記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記第２の光路長可変手段の駆動量に基づいて測定対象物の光軸方向の動きを検出し、検出した動きに基づいて前記第１の光路長可変手段によって光路長を掃引することによって前記検出部から得られる干渉信号を補正する手段を有することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計に関し、特に光コヒーレンストモグラフィー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色灯等の低コヒーレンス光源から得られる低コヒーレンス光を試料に照射し、試料内部で発生する後方散乱光を干渉によって高感度に検出することにより、試料の断層画像を測定する方法を光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）という。ＯＣＴの応用として、生体などの２次元又は３次元断層画像を測定する試みが医療分野で幅広く検討されている。例えば、眼科領域では黄斑変性の診断に既に使われており、黄斑部の断層画像より新生血管の状態などが調べられている。
【０００３】
佐藤学他「Optical Coherence Tomography用合成光源の基礎研究」レーザ研究、vol.31, no.10, pp.663-667, 2003には、中心波長の異なる２つの低コヒーレンス光を合波することによって、光源のコヒーレンス長を短くし、分解能を上げる方法が記載されている。G. J. Tearney et al., Optic. Lett., vol.21, no.17, pp.1408-1410, 1996には、生きている生体試料は拍動によって動くが、画像取得スピードを上げることにより生体試料が動くことにより生じる測定誤差を低減する方法が記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】レーザ研究、vol.31, no.10, pp.663-667, 2003
【非特許文献２】Optic. Lett., vol.21, no.17, pp.1408-1410, 1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低コヒーレンス光とはコヒーレンス長の短い光のことである。ＯＣＴにおける光軸方向の空間分解能はコヒーレンス長で決まるため、高分解能な断層画像を取得するためにはできる限りコヒーレンス長の短い光を用いる必要がある。因みに、コヒーレンス長ｌｃは次式で表される。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
但し、λｏは中心波長、Δλはスペクトル幅である。最も広く用いられているＯＣＴ用光源としてスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Superluminescent Diode）があり、例えば中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅１７ｎｍ、コヒーレンス長１７μｍのものが市販されている。
【０００８】
図６は、一般的な光コヒーレンストモグラフィーの構成例を示す図である。低コヒーレンス光源１１から出力された低コヒーレンス光をビームスプリッター２１で２つに分岐し、一方の光を測定対象物（試料）５０に照射し、他方の光をミラー２３に照射する。測定対象物５０に照射された光の一部は試料内の散乱又は反射により、ビームスプリッター２１を経由して受光器３１に入力される。一方、ミラー２３に照射された光はミラー２３で反射し、ビームスプリッター２１を経由して受光器３１に入力される。測定対象物５０に照射された光は、ある程度試料の内部に侵入する。測定対象物５０の屈折率が三次元的に分布しているため、その屈折率分布に対応した後方散乱光が得られる。後方散乱光は散乱された位置に対応する時間遅延を伴いながら受光器に入力される。
【０００９】
図７は、ミラー駆動部、すなわち光路長可変手段の構成例を示す図である。この光路長可変手段２５は可動ステージ２４を備え、可動ステージ２４によりミラー２３を光軸方向に駆動する。このような光路長可変手段によりミラーの位置を動かし、測定対象物で散乱された後方散乱光とミラーで反射された光の干渉信号を測定することによって、後方散乱光の発生場所の光軸方向の分布を測定することができる。測定対象物内では様々な位置から後方散乱光が発生するが、光源から出力される光のコヒーレンス長が短いため、試料での散乱位置とビームスプリッター間の距離とミラーとビームスプリッター間の距離が一致しない限り干渉信号が得られないため、光軸上の散乱位置をコヒーレンス長程度の分解能で同定することができる。
【００１０】
光コヒーレンストモグラフィーは、簡単な構成で生体組織の断層画像を得ることができる特徴があるが、生きている生体組織の断層画像をin vivoで取得する場合には拍動等により測定対象物が動く。測定対象物が動くと測定誤差となり、正確な断層画像測定を行うことができなくなる。これに対してTearneyらは、画像取得時間を短縮することにより拍動による測定対象物の動きにより生じる測定誤差を低減する方法を提案している。しかし、画像取得時間を短縮するのには限界があることと、三次元画像を取得するのには二次元画像を取得するよりも長い時間を要することを考えると、拍動等により生体試料が動くことによって生じる測定誤差を低減する新たな方法が必要とされている。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、測定対象物の動きを補償して測定誤差の少ない二次元画像あるいは三次元画像を取得することのできる光コヒーレンストモグラフィーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、断層画像取得と同時に測定対象物の動きを測定し、測定対象物が動くことにより生じる測定誤差を補正することにより、前記目的を達成する。複数の光路長可変手段と複数の光検出器を装備することによって、異なった位置情報を同時に取得することができる。つまり、本発明の光コヒーレンストモグラフィー装置は、主要部を共有する２つの干渉計を包含し、一方の干渉計によって測定対象物の動きを監視し、他方の干渉計によって測定対象物の二次元画像あるいは三次元画像を取得する。検出した測定対象物の動き情報は、測定対象物の二次元画像あるいは三次元画像を取得するための干渉計の光路長調節のために、あるいは得られた干渉強度データを補正するために用いられる。
【００１３】
すなわち、本発明による光コヒーレンストモグラフィー装置は、低コヒーレンス光源を備える光源部と、光源部から出射された光線を第１の光路と第２の光路に分割し、測定対象物と相互作用した第１の光路の光線と第２の光路の光線を干渉させる干渉計部と、干渉計部において干渉した干渉光強度を検出する検出部とを備え、干渉計部の第２の光路には、合分波手段と、合分波手段によって分波された光の光路長を別々に可変することができる複数の光路長可変手段とが配置され、検出部には、分波手段と、分波手段によって分波された干渉光の強度をそれぞれ検出する複数の光検出器が配置されている。
【００１４】
合分波手段及び分波手段は、波長合分波手段及び波長分波手段、あるいは偏波合分波手段及び偏波分波手段とすることができる。光源部は、１個の光源で構成されてもよいし、複数の光源で構成されていてもよい。
【００１５】
複数の光路長可変手段としては、光路長を掃引するように駆動される第１の光路長可変手段と、測定対象物の特定位置から反射又は散乱した光と第１の光路の光線が干渉するように駆動される第２の光路長可変手段とが備えられる。
【００１６】
測定対象物の動きによる測定誤差を補償する方法としては、第２の光路長可変手段の駆動量に基づいて第１の光路長可変手段が配置された光路の光路長を補正する方法と、第２の光路長可変手段の駆動量に基づいて測定対象物の光軸方向の動きを検出し、検出した動きに基づいて取得した測定対象物の二次元画像あるいは三次元画像を補正する方法とがある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、測定対象物の動きを補償して測定誤差の少ない二次元画像あるいは三次元画像を取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明による光コヒーレンストモグラフィー装置の第１の実施例を示す概略図である。この実施例では干渉計としてマイケルソン干渉計を用いているが、マッハ−ツェンダー干渉計など他のタイプの干渉計を用いても良い。図８は、ファイバカプラを用いたマッハ−ツェンダー干渉計型の光コヒーレンストモグラフィー装置の構成例を示す図である。ただし、図８はマッハ−ツェンダー干渉計の構成を説明するためだけの図であり、本発明に特徴的な構成は図示していない。以下、図１に示した本発明の第１の実施例について説明する。
【００２０】
図１に示した光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源部１０、干渉計部２０、検出部３０及び処理制御部４０を備える。光源部１０は２個の低コヒーレンス光源１１ａ，１１ｂを有し、干渉計部２０は２個の光路長可変手段２５ａ，２５ｂを有する。また、検出部３０は、２個の受光器３１ａ，３１ｂを有する。
【００２１】
光源部１０では、第１の光源１１ａ及び第２の光源１１ｂから出射された光線を合波器１２によって重ね合わせ、共通の光軸上を進む１本の光線として干渉計部２０に入射させる。干渉計部２０に入射した光線は、ビームスプリッター２１で２つの光路に分岐され、一方は測定対象物５０に照射される。測定対象物５０で反射又は散乱された光線は、ビームスプリッター２１を経由して検出部３０に入力される。検出部３０に入射した光線は、分波器３２によって２つの光に分けられ、それぞれ第１の受光器３１ａと第２の受光器３１ｂに入力される。干渉計部２０において、ビームスプリッター２１で分岐されたもう一方の光線は、合分波器２２によって２つの光に分けられ、一方は光路長調整手段２６を通り、第１の光路長可変手段２５ａのミラー２３ａで反射され、もとの光路を逆にたどって合分波器２２に戻る。合分波器２２で分岐された他方の光は、第２の光路長可変手段２５ｂのミラー２３ｂで反射され、合分波器２２に戻って再び合波される。合分波器２２によって合波された光はビームスプリッター２１を経由して検出部３０に入力され、検出部３０に設けられた分波器３２によって２つの光に分岐され、それぞれ別の受光器３１ａ，３１ｂに入力される。
【００２２】
ここで、２つの光源１１ａ，１１ｂは、例えば、中心波長の異なる２つの低コヒーレンス光源、あるいは出力光の偏波状態が異なる２つの低コヒーレンス光源とすることができる。また、ビームスプリッター２１は光の強度を２つに分ける素子であるが、合分波器は光を２つの波長帯域に分ける素子或いは２つの偏光状態に分ける素子である。また、ここでは合分波器で２つの光に分けているが、２つ以上の光に分けられるものであれば良い。
【００２３】
２つの光源として中心波長λ１の光源と中心波長λ２の低コヒーレンス光源を用いた場合には、合波器１２は波長合波器、合分波器２２は波長合分波器、分波器３２は波長分波器である。この場合、合波器１２で波長合成された光線のスペクトルは、例えば図２のようになる。分波器３２は波長λ１の光線を第１の受光器３１ａに導き、波長λ２の光線を第２の受光器３１ｂに導く。また、合分波器２２は、波長λ１の光線を第１の光路長可変手段２５ａに導き、波長λ２の光線を第２の光路長可変手段２５ｂに導く。こうして、本実施例の光コヒーレンストモグラフィー装置は、干渉計部２０を共用する２つの干渉計を包含する。第１の干渉計は、波長λ１の光線による干渉計であり、光源部１０の光源１１ａと検出部３０の受光器３１ａを利用する。すなわち、第１の干渉計は、第１の光源１１ａ、ビームスプリッター２１、光路長調整手段２６、第１の光路長可変手段２５ａ、及び第１の受光器３１ａを備える。第２の干渉計は、波長λ２の光線による干渉計であり、光源部１０の光源１１ｂと検出部３０の受光器３１ｂを利用する。第２の干渉計は、第２の光源１１ｂ、ビームスプリッター２１、第２の光路長可変手段２５ｂ、及び第１の受光器３１ｂを備える。
【００２４】
２つの光源として、出射光の偏波面が互いに直交する低コヒーレンス光源を用いた場合には、合波器１２は偏波合波器、合分波器２２は偏波合分波器、分波器３２は偏波分波器である。この場合、合波器１２で偏波合成された光線の伝播の様子は、例えば図３のようになる。分波器３２は偏波Ｐ１の光線を第１の受光器３１ａに導き、偏波Ｐ２の光線を第２の受光器３１ｂに導く。また、合分波器２２は、偏波Ｐ１の光線を第１の光路長可変手段２５ａに導き、偏波Ｐ２の光線を第２の光路長可変手段２５ｂに導く。この場合にも、図１に示した光コヒーレンストモグラフィー装置は、干渉計部２０を共用する２つの干渉計を包含する。第１の干渉計は、偏波Ｐ１の光線による干渉計であり、第１の光源１１ａ、ビームスプリッター２１、光路長調整手段２６、第１の光路長可変手段２５ａ、及び第１の受光器３１ａを備える。第２の干渉計は、偏波Ｐ２の光線による干渉計であり、第２の光源１１ｂ、ビームスプリッター２１、第２の光路長可変手段２５ｂ、及び第２の受光器３１ｂを備える。
【００２５】
なお、図には、光源部１０が２つの光源を備える場合を図示したが、２つの光源を用いる代わりに、もともと広いスペクトルを出力する１つの光源や円偏光などの光を出力する１つの光源を用いても良い。その場合には、合波器１２は不要となる。
【００２６】
検出部３０の第１の受光器３１ａの出力信号、第２の受光器３１ｂの出力信号は処理制御部４０に入力される。また、処理制御部４０は、第１の光路長可変手段２５ａ、第２の光路長制御手段２５ｂ、光路長調整手段２６の駆動を制御する。
【００２７】
次に、図４を用いて測定対象物の動きを補正して測定誤差を低減するプロセスについて説明する。いま、測定対象物５０が光軸に沿って図４（ａ）のように時間的に動いているとする。第１の干渉計が備える第１の光路長可変手段２５ａのミラー２３ａの位置は、測定対象物の断層画像を取得するため、図４（ｂ）のように規則的に動かして光路長を掃引する。これにより、第１の受光器３１ａから出力される第１の干渉計の干渉信号は、図４（ｄ）のように、測定対象物の光軸方向の屈折率分布を反映したものとなる。一方、第２の光路長可変手段２５ｂと第２の受光器３１ｂを含む第２の干渉計は、測定対象物が光軸方向にどの程度動いているかを検出するために用いられる。第２の光路長可変手段２５ｂのミラー２３ｂは、測定対象物のある特定位置から反射又は散乱する光と干渉するように動かされる。例えば、測定対象物５０の表面は周囲の空気との間に大きな屈折率差があるため、表面で比較的多くの光が反射される。そのため、測定対象物５０の表面で反射する光と干渉するように第２の光路長可変手段２５ｂのミラー３１ｂを動かすのが最適である。測定対象物５０が動いてミラー２３ｂが固定されている場合、ビームスプリッター２１と測定対象物５０の表面間の光路長と、ビームスプリッター２１とミラー２３ｂ間の光路長に乖離が生じる。そうすると第２の受光器３１ｂから得られる第２の干渉計の干渉信号強度が変動する。
【００２８】
そこで、処理制御部４０では、第２の受光器３１ｂから得られる第２の干渉計の干渉信号強度が最大になるようにミラー２３ｂの位置を動かすことによって、測定対象物５０の表面がどの程度動いたのかを知ることができる。第２の光路長可変手段２５ｂによって駆動されるミラー２３ｂの位置を制御し、第２の受光器３１ｂから得られる第２の干渉計の干渉信号強度が、図４（ｅ）に示すように、最大強度を維持するようにする。最大反射／散乱位置の同定は、ミラー移動量に対する干渉光強度の変化量が最小になるようにミラー２３ｂの位置を決めることで行う。つまり、微分係数がほぼ零のポイントを求めるようにミラー２３ｂを動かす。微分係数が零のポイントの導出は、例えば、はさみうち法などの反復解法をベースに制御アルゴリズムを作ることで実現できる。図４（ｃ）は、この時のミラー２３ｂの位置を示している。ミラー２３ｂの位置は、測定対象物表面の光軸方向位置に追随して変化する。
【００２９】
処理制御部４０は、ミラー２３ｂと第２の受光器３１ｂを含む第２の干渉計によって検出した測定対象物５０の動きを、第１の干渉計の光路長調整手段２６の駆動量に反映させて、測定対象物５０の動きに起因する第１の干渉計の出力変動をキャンセルする。具体的には、光路長調整手段２６によって、測定対象物５０が移動した距離と同じ距離だけビームスプリッター２１とミラー２３ａ間の光路長を増減させる。測定対象物５０がビームスプリッター２１から離れる方向に移動した場合には、ビームスプリッター２１とミラー２３ａ間の光路長をそれと同じ距離だけ増加させ、測定対象物５０がビームスプリッター２１に近づく方向に移動した場合には、ビームスプリッター２１とミラー２３ａ間の光路長をそれと同じ距離だけ減少させる。図１に示した光学系の場合には、第２の受光器３１ｂから得られる第２の干渉計の干渉信号強度が最大になるようにミラー２３ｂを駆動し、光路長調整手段２６を、ミラー２３ｂの駆動方向と同じ方向に、同じ量だけ駆動するように制御すればよい。
【００３０】
図５は、本発明による光コヒーレンストモグラフィー装置の第２の実施例を示す概略図である。図１に示した光コヒーレンストモグラフィー装置との違いは、第１の干渉計が光路長調整手段を持っていない点である。第１の干渉計によって測定対象物の光軸方向の屈折率分布を反映した干渉信号を得る点、第２の干渉計によって測定対象物の光軸方向の動きを検出する点は、第１の実施例と同じである。すなわち、第１の干渉計が備える第１の光路長可変手段２５ａのミラー２３ａの位置は、測定対象物５０の断層画像を取得するために図４（ｂ）のように規則的に動かされて光路長が掃引され、第１の干渉計の第１の受光器３１ａから図４（ｄ）のように、測定対象物の光軸方向の屈折率分布を反映した干渉信号を得る。一方、第２の干渉計が備える第２の光路長可変手段２５ｂのミラー２３ｂは、測定対象物のある特定位置、好適には測定対象物５０の表面から反射又は散乱する光と干渉するように動かされる。すなわち、第２の干渉計が備える第２の受光器３１ｂから得られる干渉信号強度が、図４（ｅ）に示すように最大強度を維持するようにミラー２３ｂが駆動される。この時、ミラー２３ｂの位置は、図４（ｃ）に示すように測定対象物の光軸方向の動きに対応したものとなる。
【００３１】
処理制御部４０は、各時刻における第１の干渉計の干渉信号から取得した断層画像情報を、その時刻における測定対象物の位置情報を基に補正する。具体的には、ミラー２３ａの位置にミラー２３ｂの位置の変化量を加算して散乱光の発生位置を同定する。こうして補正した散乱光の発生位置情報を用いて測定対象物の動きの影響を受けない断層画像を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による光コヒーレンストモグラフィー装置の第１の実施例を示す概略図。
【図２】合波器で波長合成された光線のスペクトルを示す図。
【図３】合波器で偏波合成された光線の伝播の様子を示す図。
【図４】測定対象物の動きを補正するプロセスの説明図。
【図５】本発明による光コヒーレンストモグラフィー装置の第２の実施例を示す概略図。
【図６】一般的な光コヒーレンストモグラフィーの構成例を示す図。
【図７】光路長可変手段の構成例を示す図。
【図８】マッハ−ツェンダー干渉計を用いた光コヒーレンストモグラフィー装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…光源部、１１，１１ａ，１１ｂ…低コヒーレンス光源、１２…合波器、２０…干渉計部、２１…ビームスプリッター、２２…合分波器、２３，２３ａ，２３ｂ…ミラー、２４…可動ステージ、２５，２５ａ，２５ｂ…光路長可変手段、２６…光路長調整手段、３０…検出部、３１，３１ａ，３１ｂ…受光器、３２…分波器、４０…処理制御部、５０…測定対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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